大频率比双频分支线定向耦合器设计
2021-09-24孙如英韩荣苍卢忠亮陈庆虎
孙如英 ,韩荣苍 ,卢忠亮 ,陈庆虎
(1.临沂大学 电子工程系,山东 临沂 276000;2.武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430072;3.江西理工大学 信息工程学院,江西 赣州 341000)
分支线定向耦合器是最常用的微波无源器件之一,这类耦合器的特点是两个输出端口提供了一对幅度相等、相位正交的两路信号,因此它们通常用于微波平衡放大器、调制器、镜频抑制混频器和微波整流器等常用电路[1-5],以实现良好的回波损耗及对杂散信号的高效抑制。多频段定向耦合器是设计多频段无线通信系统的关键部件,是提高多波段通信系统电磁波能量传输效率的有效途径。双频分支线定向耦合器的结构和设计方法有多种,利用T 形传输线(Transmission Line,TL)[6-8]、π 形TL[9-11]和耦合线[12-14]均可实现双频设计,这三类方案在工程中比较常用。另外,通过端口扩展[15-17]技术和左右手传输线[18-19]也可实现双频工作,但分析方法更为复杂。在工艺上,定向耦合器一般采用平面印刷电路结构。然而,由于印刷电路板线宽(决定阻抗大小)的限制,大多数双频耦合器[6-19]实现的频率比(fH/fL)都小于4(其中fH和fL分别是耦合器上、下工作频带的中心频率)。低fH/fL比不足以满足某些工业应用,例如4G 长期演进(LTE)移动通信系统和工业科学与医学(ISM)频带,它们分别需要在700,1800,2600,3600 MHz (4G-LTE)频段和900,2400,5800 MHz (ISM)频段下工作。所以,在这种情况下,设计fH/fL=3600/700=5.14 和fH/fL=5800/915=6.34 的大频率比双频微波器件是很有必要的。
本文提出了将阶梯阻抗传输线等效为λ/4 传输线的设计理念,建立了模型和传统的λ/4 传输线之间的等价关系,分析了阶梯阻抗传输线的双频工作原理,并给出了大频率比双频工作时的传输线阻抗和频率比的关系。根据以上理论,设计了一款频率比为6.34 的双频分支线定向耦合器,并开展了全波仿真研究和实验研究,实验结果均验证了设计理念的正确性和可行性。
1 工作原理分析
1.1 奇偶模分析
本文提出的大频率比双频定向耦合器等效电路如图1(a)所示,图1(b)为传统的单频定向耦合器的结构图。在图1(a)中采用了阶梯阻抗传输线替代传统耦合器的λ/4 主传输线,其中阶梯阻抗传输线的特性阻抗分别为Z1、Z2、Z3和Z4,电长度均为θ,通过合理设计阶梯阻抗的阻抗值可调节两个工作频点的频率比,从而实现双频特性。
图1 定向耦合器电路结构图Fig.1 Equivalent circuit of the directional coupler
将阶梯阻抗传输线视为等效λ/4 传输线,采用奇偶模分析法对其进行等效分析,并求得所需要的阶梯阻抗传输线的阻抗值。
图2 为传统的λ/4 传输线和阶梯阻抗传输线模型的对比关系。在理论分析时将阶梯阻抗传输线视为等效λ/4 传输线。传统的λ/4 传输线和阶梯阻抗传输线的偶奇模等效电路分别如图3 和图4 所示。
图2 阶梯阻抗传输线等效模型Fig.2 Equivalent model of stepped impedance transmission line
图3 传输线偶模等效电路Fig.3 Even mode equivalent circuit of transmission line
图4 传输线奇模等效电路Fig.4 Odd mode equivalent circuit of transmission line
在偶模激励下,设Zin1、Zin2分别为传统的λ/4 传输线和阶梯阻抗传输线的输入阻抗,应用传输线方程可以得到式(1)和(2):
这两种电路结构是等价的,所以它们的阻抗也应该相等,即Zin1=Zin2,则:
在奇模激励下,设Zin3、Zin4分别为传统的λ/4 传输线和阶梯阻抗传输线的输入阻抗,应用传输线方程可以得到式(4)和(5):
这两种电路结构是等价的,所以它们的阻抗也应该相等,即Zin3=Zin4,则:
联立式(3)和(6),并令a=tanθ,b=tan(θ/2),可求得Z1,Z2的一组解为:
其中:
令θ1、θ2分别为微带线的两个工作频段中心频率f1、f2所对应的电长度,且满足如下关系:
令k=f2/f1,根据电长度与频率比的关系可得:
这里,θ可以取式(10)中的任意一个值。基于以上分析,可以求出不同频率比情形下的耦合器的阻抗参数,从而可以根据需要设计不同频率比的双频定向耦合器。
1.2 频率比与阻抗参数的关系
对比图1 中大频率比双频定向耦合器和传统单频定向耦合器的结构可知,阶梯阻抗为Z1和Z2的传输线可以等效成阻抗为Zc1的λ/4 传输线,阶梯阻抗为Z3和Z4的传输线可以等效成阻抗为Zc2的λ/4 传输线。令Zc1=35.36 Ω,Zc2=50 Ω,根据式(7)和θ的取值分别求出Z1、Z2、Z3、Z4的值,它们随频率比k的变化规律如图5 所示。由图5 可知,随着频率比k的增加,阻抗Z1、Z3增加,阻抗Z2、Z4减小。当k>10 后,Z3>164 Ω,Z2<11 Ω,此时由于阻抗比太大,采用传统微带线工艺将难以实现。所以k的取值范围以5 图5 频率比与阻抗参数的变化关系Fig.5 Transmission line impedances of the coupler with varying frequency ratio 根据阻抗参数与散射矩阵参数的转换关系[20],可以求出k=6.34 时定向耦合器的S参数和输出相位差随频率的变化关系理论曲线,如图6 所示。理论上,在k=6.34 时该定向耦合器的两个工作频段的中心频率分别为915 MHz 和5800 MHz。 图6 k=6.34 时耦合器的S 参数与输出端口相位差理论曲线Fig.6 Calculated S parameters and phase shift of coupler when k=6.34 为了验证本文提出的设计理念,设计了一款工作频率分别在915 MHz 和5800 MHz 的频率比为6.34 的双频分支线定向耦合器。该双频定向耦合器的设计步骤如下: (1)设定端口阻抗Z0为50 Ω; (2)依据具体的技术指标要求,结合图5,根据两个波段的中心频率关系,选定频率比k,再根据公式(10)确定耦合微带线的电长度θ; (3)根据图1 中阶梯阻抗传输线和传统λ/4 传输线的对应关系,令Zc1=35.36 Ω,Zc2=50 Ω,根据公式(7)以及θ的取值分别求出Z1、Z2、Z3、Z4的值; (4)基于以上过程求出耦合器全部参数值后,在HFSS 15.0 中建模,并进行全波模拟以及参数优化; (5)加工器件样品,用矢量网络分析仪测试散射参数,完成实验验证。 设计样品采用微波介质基板F4B-2,基板厚度为1 mm,相对介电常数为2.65,损耗角正切为0.003。为简便起见,耦合器输入、输出端口阻抗均设定为50 Ω。该双频耦合器的具体电参数:θ=24.5°,Z1=66.2 Ω,Z2=18.9 Ω,Z3=93.6 Ω,Z4=26.7 Ω。耦合器结构和几何参数如图7(a)所示,其中w1=0.85 mm,w2=6.56 mm,L1=16.5 mm,L2=13.6 mm,w3=1.72 mm,w4=10 mm,L3=14.4 mm,L4=13.8 mm。图7(b)为耦合器实物照片。 图7 耦合器版图结构和实物图Fig.7 Layout and photograph of the proposed coupler 提出的大频率比双频分支线定向耦合器仿真和测试结果如图8～10 所示。图8 显示耦合器的两个工作频段的中心频率为915 MHz 和5800 MHz,在两个谐振点处,输入端口反射系数S11的幅度测试值分别为-42.8 dB和-23 dB。图9 表明耦合器具有良好的输出隔离度,在两个频点处,端口隔离度S23的测试值分别为-31.3 dB 和-30.9 dB。图10 呈现了耦合器的低插损特性,传输系数S12和S13的测试值在915 MHz 时分别为-3.12 dB 和-3.30 dB,不平衡度仅为0.18 dB,在5820 MHz 时传输系数S12和S13分别为-3.77 dB 和-4.24 dB,不平衡度为0.47 dB。 图8 耦合器反射系数仿真与实测结果Fig.8 Simulated and measured reflection coefficient of the coupler 图9 耦合器输出端口隔离度仿真与实测结果Fig.9 Simulated and measured output port isolation of the coupler 图10 耦合器传输系数仿真与实测结果Fig.10 Simulated and measured transmission coefficients of the coupler 两个输出端口之间的输出相位差测试结果如图11所示,在两个工作频点处,相位差分别为89.9°和85.8°。限定输入端口回波损耗(RL)大于15 dB (S11<-15 dB),输出端口幅度不平衡度(AIB)小于0.5 dB,且最大相位偏差(PE)为5°,端口隔离度大于15 dB时,耦合器在两个工作频带内的带宽分别为170 MHz和160 MHz,详细指标见表1。 图11 耦合器输出相位差仿真与实测结果Fig.11 Simulated and measured output phase shift of the coupler 表1 大频率比双频耦合器的实验性能Tab.1 Experimental performance of dual-band coupler with large frequency ratio 本文提出了一种采用阶梯阻抗变换的大频率比双频分支线定向耦合器的设计方法,并制作了一幅频率比为6.34,中心频率分别为915 MHz 和5800 MHz 的双频耦合器。该耦合器采用标准的印制电路板工艺,结构简单,性能良好,适用于微波集成电路系统,在无线通信射频技术中具有广泛的应用前景。需要指出的是,利用本文所提出的设计方法,还可以开发其他双频微波组件,如鼠笼式耦合器和威尔金森功分器等。
2 全波仿真和实验结果
3 结论
